KR20170085390A - 중공축 모터와 볼트스크류를 직결한 너트구동형 직렬 탄성 액츄에이터 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중공축 모터와 볼트스크류를 직결한 너트구동형 직렬 탄성 액츄에이터 장치에 관한 것으로, 중공축 모터를 직렬탄성 액츄에이터에 도입함으로써 볼트스크류 너트의 이동이 모터축 내에서 가능하도록 하고 볼트스크류 너트와 중공축 모터 회전축의 직접 연결이 가능하도록 하였다. 이로써 기존의 너트구동부를 제거할 수 있고, 탄성부재의 위치를 중공축 모터와 겹치도록 그 구조를 개선하여 직렬 탄성 액츄에이터 장치의 전체적인 부피를 감소시킬 뿐만 아니라 구조를 간단하게 하여 제작이 용이하고 제작 비용을 감소시키는 효과가 있다.

Description

중공축 모터와 볼트스크류를 직결한 너트구동형 직렬 탄성 액츄에이터 장치{Nut-driven series elastic actuator device using a hollow shaft motor and ball screw}

본 발명은 중공축 모터와 볼트스크류를 사용한 직렬 탄성 액츄에이터 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 볼트스크류가 중공모터회전축에 존재하는 구멍으로 이동할 수 있다는 장점을 이용하여 볼트스크류 너트와 중공축 모터의 축을 직접 연결함으로써 기존 직렬탄성 구조에서의 너트구동부를 제거하고 탄성부재의 위치를 중공축 모터와 겹치도록 그 구조를 개선한 직렬 탄성 액츄에이터 장치에 관한 것이다.

일반적으로 로봇은 여러 산업 분야에서 광범위하게 이용된다. 로봇은 처음에는 다이캐스팅(Die Casting), 단조(鍛造), 스폿 용접 등과 같이, 인간이 하기에 힘들고 위험한 작업에 사용되었다.

이러한 로봇 기술의 발달로 인해 현재는 산업 로봇 이외에도 인간을 대신하여 다양한 작업을 수행할 수 있는 원격 조정 로봇, 휴먼 로봇, 보조근력장치 등의 필요성이 대두 되고 있으며, 이에 대한 연구 개발이 활발히 진행되고 있는 추세이다.

상기와 같은 로봇 등의 움직임을 구현하기 위해 사용되는 장치 중에 하나가 직렬 탄성 액츄에이터(series elastic actuator)이다. 액츄에이터와 탄성부재를 직렬로 연결하여 탄성부재의 변위로 힘을 측정할 수 있도록 한 장치이다. 직렬 탄성 액츄에이터는 여러가지 형태가 있으나 힘의 증폭에 있어서 볼트스크류를 사용하는 형태가 가장 보편적이다. 이러한 직렬 탄성 액츄에이터는 볼트스크류의 볼트에 해당하는 부분을 회전시키는 볼트구동형이 일반적이었다.

도 1a는 종래 볼트구동형 직렬 탄성 액츄에이터의 사시도이고, 도 1b는 종래 볼트구동형 직렬 탄성 액츄에이터의 일부 구성을 나타내는 평면도이다.

도 1a 및 1b를 살펴보면, 구동모터(110)와 연결되어 회전하는 볼트스크류(120), 볼트스크류(120)의 회전 방향에 따라 좌 또는 우로 직선운동하는 너트부(130), 너트부(130)를 지지하는 스프링(140)을 통해 좌 또는 우로 직선운동하는 직선운동부(150) 및 이에 연결된 암(160)으로 구성된다.

종래 볼트구동형 직렬탄성 액츄에이터는 구동모터(110)에 볼트스크류(120)가 직접 연결되어 회전하고, 상기 볼트스크류(120)에 연결된 너트부(130)가 볼트스크류(120) 회전 방향에 따라 좌 또는 우로 직선운동하게 된다.

볼트스크류(120)의 직선운동이 있는 경우 상기 너트부(130)와 너트부를 지지하는 스프링(140)을 통해 직선운동부(150) 및 암(160)이 너트부(130)와 동일한 방향으로 직선운동을 하게 된다. 암에 가해지는 외력의 크기는 스프링의 변위를 통해 측정된다.

이러한 볼트구동형은 스프링(140)을 포함한 직선운동부(150) 전체가 이동하도록 설계되어야 하므로 구조가 복잡한 단점이 있었다. 이에 좀더 컴팩트한 형태를 위해서 너트구동형 직렬탄성 액츄에이터로 발전되었다.

도 2a는 종래 너트구동형 직렬 탄성 액츄에이터의 사시도이며, 도 2b는 종래 너트구동형 직렬 탄성 액츄에이터의 단면도이다.

도 2a 및 2b를 살펴보면, 구동모터(210)의 회전을 전달하기 위한 구동 모터 풀리(pulley, 220), 구동 모터 풀리(220)에 연결되는 벨트(230), 벨트(230)에 연결되어 회전하는 너트부 풀리(240), 너트부 풀리(240)에 연결되어 회전하는 너트부(250), 너트부(250)의 회전에 의해 좌 또는 우로 직선운동하는 볼트스크류(260)로 구성된다.

종래 너트구동형 직렬탄성 액츄에이터는 구동모터(210)의 회전력을 풀리(220, 240)와 벨트(230)를 이용하여 너트부(250)를 회전시키고 이 회전에 따라 볼트스크류(260)가 좌 또는 우로 직선운동을 하게 되며 볼트스크류에 가해지는 외력은 탄성부의 변위에 의해 측정될 수 있다.

상기 너트구동형 직렬탄성 액츄에이터는 볼트구동형 직렬탄성 액츄에이터에 비해 컴팩트한 구조를 가지고 있지만 너트부(250)를 구동하기 위한 기계적인 구조가 복잡하여 제작이 어렵고 부피가 증가하는 문제점이 있다.

이에 비교하여 단순화된 너트구동부를 갖춘 직렬탄성 액츄에이터가 존재한다.

도 3a는 종래 단순화된 너트구동형 직렬 탄성 액츄에이터의 사시도이며, 도 3b는 단순화된 너트구동형 직렬 탄성 액츄에이터의 단면도이다.

도 3a 및 3b를 살펴보면, 구동모터(310)의 회전을 전달하기 위해 구동 모터축(311)으로부터 너트구동부(321)가 너트(320b)에 연결되어 너트부(320)의 회전에 의해 좌 또는 우로 직선운동하는 볼트스크류(330)로 구성되며 볼트스크류에 가해지는 외력은 탄성부의 변위에 의해 측정될 수 있다.

그러나, 상기와 같은 종래의 단순화된 너트구동형 직렬 탄성 액츄에이터는 이전의 구조에 비해 너트구동부가 많이 단순화되었지만 볼트스크류의 좌우 이동공간을 확보해야 하는 문제 때문에 너트구동부의 부피를 줄이는 데에 한계가 있으며, 구동 모터축과 너트구동부 및 너트를 직선으로 연결하여 구성이 복잡한 문제점이 있었다.

대한민국 공개특허공보 제10-2001-0101213호(2001년11월14일)

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 모터축 내부에 공간이 존재하는 중공축 모터를 사용하여 기존의 너트구동형 직렬 탄성 액츄에이터에 있어서 너트구동부를 제거하고 볼트스크류 너트와 모터의 회전축을 직접 체결하는 구조를 제안함으로써 종래 직렬 탄성 액츄에이터에 비해 그 구조를 간단하게 하며 전체 부피를 줄일 수 있도록 한 중공축 모터와 볼트스크류를 직결한 너트구동형 직렬 탄성 액츄에이터 장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 내측 중앙에 중공축이 형성되어 회전력을 발생시키는 중공축 모터; 상기 중공축의 회전에 따라 함께 회전하도록 상기 중공축의 일단이 결합되는 볼트스크류 너트; 상기 볼트스크류 너트와 나사 결합되고, 상기 볼트스크류 너트의 회전운동을 직선운동으로 변환하여 구동하는 볼트스크류; 상기 중공축 모터의 외주면을 감싸며, 상기 볼트스크류의 직선운동 방향과 같은 방향으로 수축되거나 인장되는 탄성력을 갖는 탄성부재; 상기 볼트스크류의 이동에 따른 상기 탄성부재의 변위를 측정하는 변위측정부;를 포함하는 중공축 모터와 볼트스크류를 직결한 너트구동형 직렬 탄성 액츄에이터 장치를 제공한다.

상기 중공축 내측에는 상기 볼트스크류가 이동할 수 있는 이동공간이 형성되고, 상기 볼트스크류 너트의 회전운동에 따라 상기 볼트스크류가 길이방향으로 직선운동을 할 때, 상기 중공축 내측의 이동공간으로 삽입 또는 인출되는 것이 바람직하다.

상기 탄성부재는, 상기 중공축 모터의 외주면에 감겨져 위치하는 코일스프링 형상으로 형성되되, 그 중앙에 형성된 상기 변위측정부를 기준으로 양측으로 분리되어 서로 밀착되는 한 쌍의 제1 및 제2 탄성부재로 구성되고, 상기 변위 측정부의 이동에 대응하여 상기 제1 및 제2 탄성부재 중 어느 하나가 압축될 때 다른 하나는 인장되는 것이 더욱 바람직하다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 중공축 모터와 볼트스크류를 직결한 너트구동형 직렬 탄성 액츄에이터 장치에 의하면, 모터축의 중앙에 구멍이 존재하는 구조의 중공축 모터를 사용함으로써 볼트스크류가 이동할 수 있는 공간을 확보하도록 하여 볼트스크류 너트와 회전축이 직접 연결할 수 있도록 함으로써 기존의 너트부를 완전히 제거하고, 탄성부재도 모터와 겹치도록 구성함으로써 직렬 탄성 액츄에이터의 구조를 획기적으로 간단하게 하여 전체적인 부피를 감소시키고 제작을 용이하게 할 뿐만 아니라 제작 비용을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1a는 종래 볼트구동형 직렬 탄성 액츄에이터의 사시도,
도 1b는 종래 볼트구동형 직렬 탄성 액츄에이터의 일부 구성을 나타내는 평면도,
도 2a는 종래 너트구동형 직렬 탄성 액츄에이터의 사시도,
도 2b는 종래 너트구동형 직렬 탄성 액츄에이터의 단면도,
도 3a는 종래 단순화된 너트구동부 직렬 탄성 액츄에이터의 사시도,
도 3b는 종래 단순화된 너트구동부 직렬 탄성 액츄에이터의 구성을 나타내는 단면도,
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 중공축 모터와 볼트스크류를 직결한 너트구동형 직렬 탄성 액츄에이터 장치의 사시도,
도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 중공축 모터와 볼트스크류를 직결한 너트구동형 직렬 탄성 액츄에이터 장치의 구성을 나타내는 단면도,
도 5는 본 발명에 따른 링크지지부에 결합 되어 사용되는 일 실시예를 나타내는 도면,
도 6a 본 발명의 실시예에 따른 볼트스크류에 가해지는 외력에 따른 탄성부재의 탄성 변형을 나타내는 도면,
도 6b 본 발명의 실시예에 따른 볼트스크류에 가해지는 외력에 따른 탄성부재의 탄성 변형을 나타내는 도면이다.

본 발명은 다양한 변형 및 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명인 중공축 모터를 사용한 직렬 탄성 액츄에이터(Series Elastic Actuator 또는 SEA)는 축의 내부에 볼트스크류의 볼트스크류가 이동할 수 있는 중공축 모터를 사용함으로써 기존에 불가능했던 모터축과 볼트스크류 너트와의 직결을 가능케 하고 모터외부에 스프링과 같은 탄성체로 위치하여 너트구동부를 제거함으로써 제작난이도와 부피를 획기적으로 줄일 수 있는 SEA의 최적 구조를 제시한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 중공축 모터와 볼트스크류를 직결한 너트구동형 직렬 탄성 액츄에이터의 사시도를 나타내고, 도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 직렬 탄성 액츄에이터의 구성을 나타내는 단면도이다.

도 4a와 4b에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 중공축 모터와 볼트스크류를 직결한 너트구동형 직렬 탄성 액츄에이터(400)는 고정자부(410a)와 상기 고정자부(410a) 내측 중앙에 중공축(410b)이 형성되어 회전력을 발생하는 중공축 모터(410)를 포함한다. 또한, 상기 중공축 모터(410)의 중공축(410b)에 직접 연결되어 회전하는 볼트스크류 너트(420)와, 너트(420)의 회전에 따라 중공축의 내부공간의 좌 또는 우로 직선운동하는 볼트스크류(430)가 구비된다. 또한, 상기 볼트스크류(430)를 감싸며 상기 볼트스크류(430)에 가해지는 외력에 따라 탄성 변형되는 탄성부재(440)와, 상기 탄성부재(440)의 중앙에 개재되어 상기 탄성부재(440)의 탄성 변형으로 인한 상대적 변위를 측정할 수 있는 기준이 되는 변위측정부(450), 모터의 고정자부(410a)와 체결되어 있는 탄성부재 지지부(424)를 더 포함한다.

중공축 모터(410)는 중공축형 AC 구동모터 또는 DC 구동모터가 사용될 수 있다. 이러한 구동모터의 기술적 특징은 공지기술로서 널리 알려져 있으므로 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.

도시된 바와 같이, 볼트스크류 너트(420)는 중공축 모터(410)의 축과 직접 연결되어 된다. 이것은 중공축 모터(410)의 중공축(410b) 내부에 공간이 확보되어 있기 때문에 가능하다.

볼트스크류(430)는 직선운동이 가능하도록 소정의 길이와 지름을 갖도록 단면이 원형인 장봉 형상이고, 그 외주면에는 상기 너트(420)와 볼-나사 체결되도록 나사홈이 형성된다.

탄성부재(440)는 중공축 모터(410)의 고정자(410a) 외주면에 감겨져 위치하는 코일스프링 형상으로서, 변위측정부(450)를 기준으로 양측으로 분리되어 서로 밀착되는 한 쌍의 제1 및 제2 탄성부재(440a, 440b)로 구성된다. 상기 탄성부재(440)가 중공축 모터(410)의 고정자(410a)를 감싸듯 외주면 밖에 위치하여 공간상으로 겹치는 구조를 취하였고, 이로써 직렬 탄성 액츄에이터의 전체 부피가 상당히 감소 되는 효과가 있다. 이는 기존의 구조에서는 불가능한 형태이다.

상기 한 쌍의 탄성부재(440a, 440b)는 변위측정부(450)를 기준으로 분리되고 약간 압축되어 있는 상태이기 때문에 하나의 탄성부재(440a)가 압축되면 다른 탄성부재(440b)는 팽창하게 된다. 따라서 탄성부재(440)의 강성은 스프링을 직렬로 연결한 것과 같은 효과를 가진다. 이와 같은 압축팽창의 변위를 이용하여 볼트스크류(430)에 가해지는 외력을 측정할 수 있다. 또한, 외부 충격 흡수를 통해 급격한 토크값의 변화를 억제하는 역할도 한다.

본 발명의 일 실시예에서는 한 쌍의 탄성부재(440a, 440b)로 설명하였으나 필요에 따라서는 분리되지 않은 하나의 탄성부재(440)를 구비하거나, 3 이상으로 분리된 탄성부재를 구비할 수도 있다. 다수로 분리된 탄성부재는 미세한 외력을 측정하는데 이용될 수 있다.

변위측정부(450)는 두개의 탄성부재(440a, 440b)를 통해서 탄성부재 지지부(424)에 연결되어 있다. 변위측정부(450)의 중앙에는 중공축 모터(410)가 충분히 이동할 수 있는 구멍이 있으며 양면에는 상기 구멍 지름보다 약간 큰 원형홈(452)이 형성되어 상기 한 쌍의 탄성부재(440a, 440b) 각각의 일단을 지지하게 된다.

한편, 본 발명인 직렬 탄성 액츄에이터 장치가 사용되는 일 실시예로서 링크지지부(510)가 상기 변위측정부(450) 소정의 위치에 연결되어 볼트스크류(430)에 가해지는 외력에 따라 변위측정부(450)의 위치를 이동시킨다.

도 4b를 참조하여 동작 특성을 살펴보면, 중공축 모터(410)의 회전력은 중공회전축(410b)에 직접 체결된 볼트스크류 너트(420)에 전달된다. 중공축 모터(410)가 시계 방향으로 회전시 너트(420)도 시계 방향으로 회전하게 되고 중공축 모터(410)가 반시계 방향으로 회전하면 너트(420)도 반시계 방향으로 회전한다. 즉, 중공축 모터(410)의 회전방향과 너트(420)의 회전방향은 동일하게 된다.

상기 너트(420)가 회전함에 따라 볼트스크류 너트(420)와 볼-나사 체결된 볼트스크류(430)가 중공축 모터(410)의 축 내부에서 직선운동을 하게 된다. 상기 너트부(420)가 시계 방향으로 회전하면 볼트스크류(430)는 모터(410)로부터 멀어지는 방향(도면상 A방향)으로 직선운동하게 되고, 상기 너트부(420)가 반시계 방향으로 회전하면 볼트스크류(430)는 모터(410)로 가까워지는 방향(도면상 B방향)으로 직선운동을 하게 된다.

상기와 같이 볼트스크류 너트(420)와 중공축 모터(410)의 회전축(410b)을 직접 연결함으로써 함께 회전가능하도록 하였고, 이에 따른 볼트스크류(430)의 이동은 중공축 모터(410)의 축내 공간 때문에 가능하며 이로써 구조가 간단하게 되어 제작이 용이하고 제작 비용도 감소되는 효과가 있다.

한편, 본 발명인 직렬 탄성 액츄에이터(400)에 가해지는 외력은 변위측정부(450)를 기준으로 탄성부재(440)의 변위를 측정하여 판단한다. 상기 변위 측정 장치(425)로는 엔코더를 사용하거나 가변저항, LVDT센서를 사용하는 방법이 대표적이다.

도 5와 6를 참조하여 외력 측정 방법에 대해 살펴본다.

도 5는 링크지지부와 결합 되어 사용되는 일 실시예를 나타내는 도면이며, 도 6a와 6b는 볼트스크류 운동에 따른 탄성부재의 탄성 변형을 나타내는 도면이다.

도 6a에서 볼트스크류(430)에 힘이 A방향으로 가해지는 경우 변위측정부(450)는 링크지지부(510)에 의해 A방향으로 이동한다. 상기 변위측정부(450)의 초기 위치를 기준 위치(C)라 하면 상기 볼트스크류(430)의 이동에 따라 변위측정부(450)가 A방향으로 이동되어 Δx 만큼의 탄성 변형이 생긴다.

마찬가지로, 도 6b에서도 볼트스크류(430)가 B방향으로 직선운동하면 링크지지부(510)에 의해 변위측정부(450)도 B방향으로 이동하게 되고 결국 Δx 만큼의 탄성 변형이 생긴다.

상기 변위측정부(450)의 기준위치(C)에 대한 상대적 변위(Δx)를 측정하면 아래 수학식1에 따라 직렬 탄성 액츄에이터(400)에 가해지는 외력을 측정할 수 있다.

상기 수학식1에서, F는 액츄에이터에 가해지는 외력이고, K는 탄성부재의 강성을 나타내며, Δx는 변위측정부의 기준위치(C)에 대한 상대적 변위이다.

상술한 바와 같이 종래 볼트구동형 직렬탄성 액츄에이터나 종래 너트구동형액츄에이터의 복잡한 기계적 구조와 이로 인한 제작의 어려움 등의 문제를 해결하기 위해 본 발명은 중공축 모터(410)의 회전축(410b)에 너트(420)를 직접 연결하여 회전시키고, 이에 따라 볼트스크류(430)가 중공축 모터(410)의 내부에서 직선운동을 하고 탄성부재(440)의 변위에 따른 힘을 측정할 수 있는 직렬 탄성 액츄에이터(400)를 제시한다.

이로써, 기존 너트구동형 직렬탄성 액츄에이터에서의 너트구동부를 제거할 수 있게 됨으로써 직렬 탄성 액츄에이터의 부피와 제작 난이도를 획기적으로 개선하였으며, 또한 중공축 모터(410)와 탄성부재(440)가 공간상 겹치는 구조를 제안함으로써 전체적인 부피를 더욱 감소시킬 수 있다.

본 명세서에 기재된 본 발명의 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 관한 것이고, 발명의 기술적 사상을 모두 포괄하는 것은 아니므로, 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 따라서 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 권리범위 내에 있게 된다.

410 : 중공축 모터
410a : 고정자부
410b : 중공축
420 : 볼트스크류 너트
430 : 볼트스크류
440 : 탄성부재
440a, 440b : 제1 및 제2 탄성부재
425 : 변위 측정 장치
450 : 변위측정부
510 : 링크 지지부

Claims (3)

1. 내측 중앙에 중공축이 형성되어 회전력을 발생시키는 중공축 모터;
   상기 중공축의 회전에 따라 함께 회전하도록 상기 중공축의 일단이 결합되는 볼트스크류 너트;
   상기 볼트스크류 너트와 나사 결합되고, 상기 볼트스크류 너트의 회전운동을 직선운동으로 변환하여 구동하는 볼트스크류;
   상기 중공축 모터의 외주면을 감싸며, 상기 볼트스크류의 직선운동 방향과 같은 방향으로 수축되거나 인장되는 탄성력을 갖는 탄성부재;
   상기 볼트스크류의 이동에 따른 상기 탄성부재의 변위를 측정하는 변위측정부;를 포함하는 중공축 모터와 볼트스크류를 직결한 너트구동형 직렬 탄성 액츄에이터 장치.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 중공축 내측에는 상기 볼트스크류가 이동할 수 있는 이동공간이 형성되고, 상기 볼트스크류 너트의 회전운동에 따라 상기 볼트스크류가 길이방향으로 직선운동을 할 때, 상기 중공축 내측의 이동공간으로 삽입 또는 인출되는 것을 특징으로 하는 중공축 모터와 볼트스크류를 직결한 너트구동형 직렬 탄성 액츄에이터 장치.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 탄성부재는, 상기 중공축 모터의 외주면에 감겨져 위치하는 코일스프링 형상으로 형성되되, 그 중앙에 형성된 상기 변위측정부를 기준으로 양측으로 분리되어 서로 밀착되는 한 쌍의 제1 및 제2 탄성부재로 구성되고,
   상기 변위 측정부의 이동에 대응하여 상기 제1 및 제2 탄성부재 중 어느 하나가 압축될 때 다른 하나는 인장되는 것을 특징으로 하는 중공축 모터와 볼트스크류를 직결한 너트구동형 직렬 탄성 액츄에이터 장치.
   

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